От сверхтекучести — к жидкому свету: как на пути к абсолютному нулю учёные открыли необычные состояния материи

Экстремально низкие температуры способны превратить облако газа в один большой атом и перенести квантовые эффекты в повседневную реальность.

В конце августа немецкие физики создали самое холодное место во Вселенной, охладив атомы рубидия до −273,149999999962 °C. Это всего на 38 триллионных долей градуса выше абсолютного нуля — минимальной теоретически возможной температуры, которую на практике получить нельзя.

Блок number недоступен Блок number недоступен Блок number недоступен

TJ попытался разобраться, почему нельзя достичь абсолютного нуля и как в попытках приблизиться к недостижимому физики узнали много необычного об устройстве материи.

Что такое абсолютный нуль температуры

В общем смысле температуру понимают как меру движения частиц. Чем быстрее движутся или колеблются частицы — тем горячее вещество. Соответственно, в холодных газах, жидкостях и телах частицы медленно движутся и слабо колеблются, а при абсолютном нуле частицы должны становиться абсолютно неподвижными.

Однако законы микромира не позволяют частицам становиться абсолютно неподвижными. У любой частицы есть некоторое количество энергии, которую невозможно отнять — так называемая нулевая энергия или энергия нулевых колебаний. Она не даёт частице «успокоиться» полностью и заставляет её колебаться при любых условиях.

Частицы не могут перестать колебаться, потому что любая материальная частица — это и есть колебания квантовых полей, заполняющих всё пространство. Эти колебания невозможно остановить — даже в глубоком вакууме квантовые поля покрыты «рябью» в виде частиц, которые постоянно появляются и тут же исчезают. Эта квантовая «рябь» — основа физической реальности, источник всех форм материи.

Квантовые колебания всегда будут обеспечивать некую ничтожную долю градуса температуры. Поэтому абсолютный нуль — это скорее идея, чем реальное состояние материи. Но ещё задолго до абсолютного нуля материя начинает проявлять экзотические свойства вроде сверхтекучести, сверхпроводимости и способности превращаться в большие «квантовые сгустки».

Примерно так выглядит вакуум с точки зрения квантовой теории поля — бесконечные колебания энергии

Жидкости, которые нельзя удержать в стакане

В 1937 году физики Пётр Капица и Джон Аллен обнаружили, что жидкий гелий-4 при температуре ниже −271,17 °C начинает странно себя вести, будто обходя законы природы. Например, выливается из открытого сосуда, взбираясь по его стенкам и переливаясь через края. Или протекает сквозь твёрдые материалы вроде керамики через микроскопические поры. Это явление называют сверхтекучестью — жидкость становится «совершенно жидкой» и начинает течь без трения и вязкости.

Сверхтекучая жидкость вытекает из открытого сосуда и просачивается сквозь дно

Ещё более странно сверхтекучая жидкость реагирует на вращение сосуда, в котором она находится. Если начать вращать сосуд с обычной жидкостью, плавно увеличивая обороты, то она начнёт вращаться примерно с той же скоростью, так же плавно ускоряясь. Но сверхтекучая жидкость сначала останется неподвижной, а когда обороты сосуда достигнут некоторого критического значения — в ней у самой стенки сосуда появится квантовый вихрь, что-то вроде микроскопического водоворота.

После этого сверхтекучая жидкость снова будет игнорировать рост оборотов сосуда, пока он не достигнет следующего критического значения — тогда в жидкости появится второй квантовый вихрь. Так по мере ускорения вращения сосуда в сверхтекучей жидкости будет скачкообразно расти число вихрей, образующих симметричный рисунок. На микроуровне этот процесс сопровождается сложным движением частиц — они соединяются в разветвлённые нити, распадаются и соединяются снова.

Физики стали использовать концепцию сверхтекучести в разных областях — например, пытались описать ядро атома как каплю сверхтекучей жидкости. Были предположения, что из такой жидкости состоят внутренности нейтронных звёзд. А в 1975 году группа индийских учёных выдвинула теорию, согласно которой сам вакуум, заполняющий пространство-время — тоже сверхтекучая жидкость, а элементарные частицы — это её микроскопические «завихрения».

На практике сверхтекучие жидкости вроде гелия-4 чаще всего используют только для охлаждения предметов и веществ до крайне низких температур. Но есть и примеры использования таких жидкостей по прямому назначению — из них можно сделать растворители, которые «разбирают» вещества по молекулам и позволяют очень точно изучать их состав и свойства.

Передача электричества без напряжения

За четверть века до открытия сверхтекучести жидкого гелия голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес использовал его в экспериментах, чтобы охладить твёрдую ртуть до очень низких температур. Учёного интересовало, что станет с электрическим сопротивлением ртути — оказалось, что при −268,95 °C оно резко падает до нуля. Так голландский физик в 1911 году открыл сверхпроводимость на практике — и мог бы открыть заодно сверхтекучесть, будь он немного внимательнее. Учёный отметил в своих записях признаки «необычного поведения» гелия при −270,95 °C, но не придал им значения.

Сверхпроводимость — состояние проводящего материала, при котором он полностью перестаёт оказывать сопротивление электрическому току. Соответственно, ток течёт по проводнику без напряжения и без потерь.

Постоянный ток, попав в катушку из сверхпроводников, может практически вечно циркулировать в ней благодаря нулевому сопротивлению — в реальных приборах с такими катушками он сохраняется без потерь уже более 26 лет. Но это не единственное необычное свойство сверхпроводников: в 1933 году немецкий физик Мейснер обнаружил, что они полностью вытесняют из себя магнитное поле. Поэтому сверхпроводник невозможно положить прямо на магнит — он зависнет на «подушке» из вытесненного магнитного поля.

Левитация сверхпроводника над магнитом

Сверхпроводимость намного интереснее сверхтекучести в прикладном смысле. Она позволяет в десятки раз повысить мощность электромагнитов, без чего не обойтись в аппаратах МРТ, ускорителях частиц и термоядерных реакторах. Сверхпроводники могут оказаться ключом к полноценным работающим квантовым компьютерам, а сверхпроводящие кабели и линии электропередач — это мечта энергетиков всего мира.

Сейчас для передачи электричества на сотни или тысячи километров приходится прокладывать линии с напряжением в сотни тысяч вольт, что сложно, дорого и малоэффективно. Компактные сверхпроводящие линии могли бы свести потери энергии к околонулевым и удешевить доставку электричества на огромные расстояния — например, от мощных сибирских ГЭС в европейскую часть России.

Однако для создания сверхпроводников приходится охлаждать материалы до глубоко отрицательных температур с помощью жидкого гелия или азота. Учёные пытаются получить сверхпроводимость при обычных температурах, и в 2020 году им удалось это сделать при 15 °C — правда, потребовалось давление примерно в 2,66 миллиона раз больше атмосферного, что с практической точки зрения нисколько не лучше сверхнизких температур.

Что такое сверхтекучесть и сверхпроводимость с точки зрения квантовой физики

Тепловая энергия обычной жидкости заставляет её частицы беспорядочно двигаться и толкаться — это делает жидкость вязкой (когда её частицы сталкиваются между собой) и создаёт трение между ней и сосудом (когда её частицы сталкиваются с частицами сосуда). В таком состоянии жидкость на микроуровне похожа на неорганизованную толпу людей.

При сверхнизких температурах атомы гелия «коллективизируются» и начинают двигаться организованно и синхронно — беспорядочная толпа превращается в строй солдат. Частицы жидкости перестают сталкиваться между собой и с частицами сосуда — на такие столкновения им пришлось бы потратить больше энергии, чем у них осталось. Вязкость и трение полностью исчезают, жидкость становится сверхтекучей.

Сверхпроводимость и сверхтекучесть очень похожи — электрический ток можно описать как течение жидкости из электронов. Однако электроны при охлаждении не могут «коллективизироваться» так же, как это делают атомы гелия-4. Поэтому электроны сначала объединяются в пары, и только потом «коллективизируются» — пары электронов организованно и синхронно двигаются по проводнику, не сталкиваясь с его частицами. Сопротивление полностью исчезает — поток электронов становится сверхтекучим.

Сверхтекучесть и сверхпроводимость — это первые признаки перехода вещества в принципиально иную форму, которые проявляются при температурах в десятки или единицы кельвинов. Чтобы полноценно ознакомиться с этой формой материи, нужно двинуться ещё дальше вниз по температурной шкале — до десятимиллионных долей градуса выше абсолютного нуля.

Заморозить свет до жидкого состояния

Переход вещества в экзотическую форму при сверхнизких температурах предсказал Эйнштейн вместе с индийским физиком Бозе в 1925 году, поэтому такую форму назвали конденсатом Бозе-Эйнштейна. На практике его смогли получить только 70 лет спустя: в 1995 году американские физики охладили атомы рубидия и натрия до −273,14999983 °C и убедились, что они действительно сливаются в «квантовое желе», которое ведёт себя как одна огромная частица. За это учёные получили Нобелевскую премию в 2001 году.

Переход частиц в конденсат Бозе-Эйнштейна при охлаждении до сверхнизких температур

Конденсат Бозе-Эйнштейна позволяет «вытащить» квантовые эффекты из микромира на привычный уровень реальности. Например, в 1996 году физики сложили вместе две большие порции конденсата и увидели их интерференцию в макроскопическом масштабе. Причём во время таких экспериментов две порции конденсата получают из одной — это равноценно раздвоению одной квантовой частицы, после чего она существует сразу в двух местах.

Перед сверхнизкими температурами не способен устоять даже свет — в 1999 году учёные Гарвардского университета замедлили его в 20 миллионов раз с помощью конденсата Бозе-Эйнштейна. Когда луч лазера попал в облако из атомов натрия с температурой в миллиард раз меньше, чем в космосе, его скорость упала с почти 300 тысяч километров в секунду до 61 километра в час.

Физики решили пойти дальше и попробовать заморозить сам свет, но это оказалось непросто, хотя фотоны легко «коллективизируются» при сверхнизких температурах. Чтобы выйти из положения, учёные использовали «расширенную версию фотонов» — поляритоны, состоящие из фотонов, «одетых в шубу» из колебаний окружающей среды.

В 2009 году физики впервые получили стабильный бозе-эйнштейновский конденсат из поляритонов — фактически, жидкий свет. В отличие от «нормального» света, такой конденсат может «светить за угол», просто обтекая его, как обычная вода. Жидкий свет можно налить в сосуд или всколыхнуть, покрыв рябью. Причём поляритонный конденсат способен существовать как в обычной жидкой форме, как и в сверхтекучей.

Зачем всё это нужно

Жидкий гелий уже более ста лет используют для охлаждения материалов до очень низких температур, но его сверхтекучесть пока нашла применение только в одной задаче — анализе веществ путём их растворения до отдельных молекул. Сверхпроводимость оказалась куда практичнее: уже сейчас сверхпроводящие магниты и катушки работают во многих приборах, от МРТ до высокоточных датчиков гравитационных полей.

Также сверхпроводники обещают стать основой будущей энергетической революции — они необходимы в работе термоядерных реакторов и для создания линий электропередач с нулевым сопротивлением. Такие линии уже создают в экспериментальном порядке, но для полномасштабной эксплуатации нужно добиться сверхпроводимости при обычных температурах.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна могут прояснить природу тёмной материи и открыть путь к новым прикладным областям вроде атомной электроники и атомных лазеров. Фермионные конденсаты, частицы которых имеют минимальную тепловую энергию и потому почти не двигаются — удобная основа для квантовых вычислений и сверхточных измерительных приборов.

Даже открытому совсем недавно жидкому свету уже нашли возможное применение в качестве основы для принципиально новой электроники будущего. Впрочем, и сами учёные пока не могут полностью оценить значение экстремальных форм материи, полученных на пути к абсолютному нулю.

#разборы #физика #лонгриды